Modelos Atômicos e a Física Moderna

 03 de Nov. de 2020 | Rafaela Botelho

ABORDAGEM DE CONCEITOS PARA O ENSINO DE FÍSICA MODERNA

Objetivo

O objetivo da proposta é fazer com que os alunos compreendam de forma descontraída sobre os modelos atômicos propostos na física moderna e a radioatividade. Também há o objetivo de utilizar a interdisciplinaridade entre as matérias de química e física com a compreensão das partículas fundamentais da matéria.

Contexto

Física Moderna designa as novas concepções da Física desenvolvidas durante as três primeiras décadas do século XX, as quais resultaram das proposições teóricas dos físicos Albert Einstein e Max Planck. Após o surgimento da teoria da relatividade de Einstein e da quantização das ondas eletromagnéticas, esse novo campo de estudo surgiu, ampliando os limitados horizontes da Física Clássica.

Mais abrangente que a Física Clássica, a Física Moderna é capaz de explicar fenômenos de escalas muito pequenas (atômicas e subatômicas) e de altíssimas velocidades, muito próximas à velocidade da luz. Os físicos do século XX perceberam que o conhecimento vigente não era suficiente para explicar fenômenos como o efeito fotoelétrico ou a radiação de corpo negro. Dessa forma, diversas hipóteses começaram a ser levantadas sobre a natureza da luz e da matéria e sobre a interação entre elas.

Diversos experimentos marcaram a história e o desenvolvimento da Física Moderna. Entre eles, podemos citar aqueles que nos forneceram uma compreensão mais profunda sobre a estrutura da matéria e dos átomos e sobre a natureza da luz. confira alguns exemplos dessas importantes descobertas que marcaram o começo da Física Moderna:

Em 1895, Wilhem Röntgen descobriu a existência dos raios X, um tipo invisível de radiação extremamente penetrante. Em 1896, Antoine Becquerel descobriu a existência da radioatividade. Alguns anos mais tarde, em 1900, o físico alemão Max Planck propôs que a energia carregada pelo campo eletromagnético apresentava valores quantizados, múltiplos inteiros de uma quantidade mínima e constante.

Em 1905, por meio da sua teoria da relatividade, Albert Einstein mostrou que referenciais que se movem com velocidades muito altas, próximas à velocidade de propagação da luz, experimentam a passagem do tempo e a medida das distâncias de maneiras distintas. Em 1913, Niels Bohr propôs que os níveis de energia dos elétrons espalhados ao redor dos núcleos atômicos são quantizados, isto é, sua energia é dada por um múltiplo inteiro de um valor mínimo.

Em 1924, a dualidade onda-partícula, estabelecida pelo físico Louis De Broglie, mostrou que qualquer corpo pode comportar-se como uma onda. E em 1926, surgiu a Mecânica Quântica, resultado do trabalho de físicos como Werner Heisenberg e Erwin Schröedinger.

A Física Moderna conseguiu explorar a natureza do mundo microscópico e as grandes velocidades relativísticas, fornecendo valiosas explicações para diversos fenômenos físicos que eram, até então, incompreendidos.

Teoria atomística: A teoria atomística originou-se entre pensadores gregos como Tales de Mileto e os atomistas Demócrito e Leucipo. Para esses pensadores, a matéria era constituída por partículas menores, indestrutíveis e indivisíveis, as quais foram chamadas de átomos.

A teoria atomística ganhou forças graças aos diferentes modelos atômicos propostos ao longo dos estudos físicos. Veremos alguns importantes cientistas e suas teorias atômicas:

John Dalton: acreditava que os átomos eram maciços e indivisíveis e que as substâncias eram formadas por combinações atômicas de diferentes proporções.

J. J. Thomson: segundo esse cientista, os elétrons, que possuem carga elétrica negativa, encontravam-se espalhados na superfície de uma carga positiva.

Ernest Rutherford: para Rutherford, os átomos possuíam uma carga elétrica positiva concentrada em uma região extremamente densa e reduzida, chamada de núcleo atômico.

Niels Bohr: de acordo com o modelo de Bohr, os elétrons estavam localizados em torno dos núcleos atômicos com energia quantizada, ou seja, ocupavam somente níveis específicos de energia, os quais eram múltiplos de uma quantidade menor.

A concepção atual sobre o que são átomos teve várias contribuições ao longo da história, passando por diversas mudanças. Algumas das propostas mais importantes para nosso entendimento sobre os átomos e a matéria partiram de físicos como De Broglie, Heisenberg e Schröedinger.

Louis De Broglie propôs a existência das ondas de matéria, propriedade que explica o comportamento dual dos elétrons. Werner Heinsenberg propôs o princípio da incerteza, indicando que não seria possível determinar, simultaneamente e com total precisão, a posição e a quantidade de movimentos das partículas quânticas. E Erwin Schröedinger, por meio de sua equação, conseguiu determinar as regiões mais prováveis de se encontrar um elétron em volta do núcleo atômico.

Radiação de corpo negro

Para a Física, é classificado como corpo negro qualquer corpo capaz de absorver toda a radiação incidente sobre ele, reemitindo-a em forma de radiação térmica, de acordo com sua temperatura.

O problema sobre radiação de corpo negro era uma das principais perguntas abertas da Física no início do século XX. Por meio da hipótese da quantização da energia das ondas eletromagnéticas emitidas pelos corpos negros, o físico alemão Max Planck apresentou a solução desse problema.

Experimento da gota de óleo: O experimento da gota de óleo, realizado pelo físico Robert Andrews Millikan, foi capaz de determinar a ordem de grandeza da carga elétrica dos elétrons. O aparato utilizado nessa experiência era constituído por um borrifador, que espirrava gotículas de óleo entre duas placas dispostas eletricamente carregadas na direção vertical, de forma que as gotículas ficassem estáticas no ar. Até a realização desse experimento, não se conhecia a carga dos elétrons, apenas a razão entre sua carga e sua massa.

Experimento de Franck-Hertz: O experimento validou o modelo atômico proposto por Niels Bohr. Esse experimento mostrou que só é possível excitar os átomos de um gás a partir de níveis  específicos de energia, assim como previa a quantização dos níveis de energia, proposta por Bohr.

Experimento de Rutherford: O famoso experimento de Rutherford foi, na verdade, realizado por dois de seus alunos, Hans Geiger e Ernest Mardsen. Nesse experimento, uma fina folha de ouro era bombardeada por partículas alfa (núcleos de átomos de hélio) em alta velocidade. Percebeu-se que, após a colisão, os ângulos de algumas dessas partículas variavam muito. Além disso, em alguns casos, havia ricocheteamento das partículas alfa, o que sugeria a existência de núcleos atômicos pesados e extremamente densos.

Os trabalhos pioneiros de Rutherford revelaram 3 tipos distintos de radiação, que foram denominadas radiações alfa, beta e gama, classificadas de acordo com a natureza de uma carga elétrica e de sua maior ou menor capacidade de penetrar na matéria e de ionizar, ou não, o ar.

Experimento de Michelson-Morley:  O experimento de Michelson-Morley provou que as ondas eletromagnéticas são capazes de propagarem-se no próprio vácuo, logo, não precisam de um meio para isso. Para comprovar essa propriedade, os pesquisadores Albert Michelson e Edward Morley utilizaram um grande interferômetro (dispositivo utilizado para investigar a interferência da luz) mergulhado em uma piscina preenchida com mercúrio. Dessa forma, seriam evitadas vibrações de qualquer natureza, capazes de afetar a medida extremamente sensível. No experimento em questão, mediu-se o tempo para a luz ser refletida por espelhos precisamente alinhados. Se a Terra desloca-se no meio em que a luz se propaga, deveriam ser observados pequenos desvios nos feixes refletidos, o que não ocorreu. Assim, os pesquisadores comprovaram a teoria proposta.

Efeito fotoelétrico

O efeito fotoelétrico era um fenômeno sem uma explicação satisfatória até os estudos desenvolvidos por Albert Einstein. Por conseguir explicar esse efeito, Einstein foi laureado com um Nobel de Física. Por meio da ideia de Max Planck, Albert Einstein ampliou a teoria de quantização de energia da radiação de corpo negro para qualquer tipo de radiação, firmando, assim, a noção de dualidade onda-partícula.

Relatividade geral

A relatividade geral é uma generalização da teoria da relatividade especial, também desenvolvida pelo físico alemão Albert Einstein. Segundo essa teoria, corpos massivos, como planetas e estrelas, são capazes de deformar a tecitura, ou o relevo, do espaço-tempo. Essa deformação, por sua vez, dá origem à gravidade.

Proposta

Os alunos devem construir uma maquete com representações dos principais modelos atômicos, descobertos pelos cientistas Dalton, Thomson, Rutherford e Bohr. Eles devem escolher de qual elemento irão elaborar a maquete de acordo com o número de prótons que pretendem utilizar. É importante que o professor tenha ministrado aos alunos uma introdução sobre os modelos atômicos, sem, no entanto, explicar as demais matérias de física nuclear.

O material usado na construção fica a critério do aluno. O professor deve avisar aos alunos para terem cuidado ao escolher os materiais, que não devem apresentar de forma algum perigo para o aluno durante sua elaboração.

Nesta proposta, na aula em que serão apresentadas as maquetes, deve-se incluir a explicação de física nuclear, utilizando os modelos dos alunos, contendo os seguintes conteúdos:

• Compreensão de como é o funcionamento da fusão e fissão nuclear;

• Compreensão de forma mais simples de como os elétrons estão estacionários e como se dá a distribuição das camadas eletrônicas;

• Explicação da experiência de Rutherford;

• Radioatividade e definição dos tipos de radiação descobertos: alfa, beta e gama.

Com essa forma de ensino os alunos podem visualizar com mais facilidade os conteúdos citados, que geralmente são muito abstratos aos alunos.

Também é possível comparar os diferentes tipos de elementos químicos conforme o número de prótons dentro do núcleo.

Se necessário os alunos podem usar o horário da aula para montar seu modelo atômico. 

REFERÊNCIAS

FILHO, BENIGNO BARRETO; SILVA, CLÁUDIO XAVIER DA. Física aula por aula: eletromagnetismo, ondulatória e física moderna: 3º ano – 2ª ed. São Paulo: FDT; 2013.